JP7110000B2

JP7110000B2 - 柱梁接合部構造

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Publication number: JP7110000B2
Application number: JP2018113458A
Authority: JP
Inventors: 文久吉田; 拓馬西; 智裕薮田
Original assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Current assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2022-08-01
Anticipated expiration: 2038-06-14
Also published as: JP2019214899A

Description

本発明は、柱梁接合部構造に関する。

鉄骨柱として角形鋼管を適用し、鉄骨梁としてＨ形鋼を適用してなる鉄骨造建築物における柱梁接合部には、コラムコア（パネルゾーン）の上下に通しダイアフラムが配設され、上下の通しダイアフラムに対して上下階の鉄骨柱が配設され、鉄骨柱の側面から張り出している通しダイアフラムの端部に鉄骨梁が溶接される構造が一般に採用されている。角形鋼管柱の各側面に対して、梁成の異なる鉄骨梁が接合される段差梁を有する柱梁接合部構造では、上下の通しダイアフラムに加えて、コラムコア内に例えば梁成の低い鉄骨梁のフランジに対応する位置に内ダイアフラムが溶接接合される構造が適用される。また、この内ダイアフラムが適用される箇所に、上下の通しダイアフラムとは別の通しダイアフラムが適用される構造もある。さらに、例えば梁成の低い鉄骨梁の例えば下フランジを鉄骨梁の途中位置から所定勾配で下方に屈曲させ、上下の通しダイアフラムに対してこの鉄骨梁の上下のフランジを当接させる、所謂鉛直ハンチが適用される場合もある。この鉛直ハンチが適用される場合、内ダイアフラムや別途の通しダイアフラムを不要にできるというメリットがある。

このように、段差梁を有する柱梁接合部構造では、上下の通しダイアフラムの他に、内ダイアフラムや別途の通しダイアフラムがコラムコアに組み込まれたり、鉛直ハンチが適用されることにより、加工が複雑になり、製作コストが高騰する要因となり得る。

そこで、段差梁を有し、上下の通しダイアフラムを有する柱梁接合部構造において、上下の通しダイアフラム間の距離よりも梁成の低い鉄骨梁の例えば上フランジを上方の通しダイアフラムに溶接し、下フランジはコラムコアの側面に溶接し、下方の通しダイアフラムと下フランジの下面を方杖材で接続する柱梁接合部構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５６９０５３３号公報

ところで、上記する段差梁を有する柱梁接合部構造において、例えば方杖材で補強される鉄骨梁を、角形鋼管柱（コラムコア）の幅中心を通る中心線から左右いずれか一方に偏心させたいという要請がある。この要請は、上下階における３次元空間（形状）からの要請であったり、外観意匠性の観点からの要請である。しかしながら、特許文献１に記載の柱梁接合部構造は、このように段差梁のいずれかの鉄骨梁を偏心位置に取り付けることを想定した構造ではない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、段差梁を有する柱梁接合部構造において、方杖材で補強される鉄骨梁を偏心位置に取り付けたいとする要請に対応可能であって、高耐力の柱梁接合部構造を提供することを目的としている。

前記目的を達成すべく、本発明による柱梁接合部構造の一態様は、
角形鋼管柱と、Ｈ形鋼により形成される鉄骨梁との柱梁接合部構造であって、
前記角形鋼管柱には、該角形鋼管柱の側面から端部が張り出すようにして上下に第一間隔を隔てて一対の通しダイアフラムが介在しており、
前記角形鋼管柱の有する側面のうち、いずれかの側面には、前記第一間隔の梁成を有する第一鉄骨梁の上下のフランジが前記一対の通しダイアフラムに溶接部を介して接合されており、
前記角形鋼管柱の有する側面のうち、他のいずれかの側面には、前記第一間隔よりも低い梁成を有する第二鉄骨梁の上下のフランジのうちのいずれか一方のフランジが、前記一対の通しダイアフラムのうちのいずれか一方の通しダイアフラムと溶接部を介して接合され、他方のフランジは前記角形鋼管柱の前記側面に溶接部を介して接合されており、
前記第二鉄骨梁の有する前記他方のフランジと他方の通しダイアフラムに対して、鋼製プレートにより形成される方杖材の両端が溶接部を介して接合されており、
前記鉄骨梁のウエブを挟んだ対向位置において、前記方杖材が接合されている前記フランジと前記ウエブに対して溶接部を介して一対の補強リブが接合されており、
前記第二鉄骨梁が、前記角形鋼管柱の前記側面の幅中心を通る中心線に対して、左右いずれか一方の偏心位置に配設されていることを特徴とする。

本態様によれば、一対の通しダイアフラムの間の第一間隔よりも梁成が低く、方杖材にて補強されている第二鉄骨梁が、角形鋼管柱の幅中心を通る中心線よりも左右いずれか一方の偏心位置に配設されていることにより、このように偏心配置の要請に応じた柱梁接合部構造を提供することができる。また、方杖材を適用することにより、上下一対の通しダイアフラムとは別の通しダイアフラムを不要とし、内ダイアフラム（及び外ダイアフラム）を不要としながら、段差梁を有する柱梁接合部構造を形成できる。さらに、方杖材が接合されている鉄骨梁のフランジとウエブに対して一対の補強リブが接合されていることにより、方杖材から鉄骨梁に作用する荷重に対して、鉄骨梁のフランジ等を効果的に補強することができる。ここで、第二鉄骨梁と上下の通しダイアフラムとの接合形態として、上方の通しダイアフラムに第二鉄骨梁の上フランジが接合され、下フランジが角形鋼管柱（コラムコア）の側面に接合される形態の他、下方の通しダイアフラムに第二鉄骨梁の下フランジが接合され、上フランジが角形鋼管柱の側面に接合される形態もある。

また、本発明による柱梁接合部構造の他の態様は、前記方杖材の厚みの中心を通る第一平面と、他方の前記フランジの厚みの中心を通る第二平面との交線の直上に、前記一対の補強リブが配設されていることを特徴とする。

本態様によれば、方杖材から鉄骨梁のフランジに荷重が作用する位置に補強リブが配設されていることにより、補強リブによるより一層高い補剛効果が奏される。

また、本発明による柱梁接合部構造の他の態様は、前記角形鋼管柱の前記側面と、前記他方のフランジと、前記方杖材とにより包囲されている空間が貫通空間であることを特徴とする。

本態様によれば、鉄骨梁のフランジと方杖材とにより包囲されている空間が貫通空間であることにより、角形鋼管柱（コラムコア）と鉄骨梁との溶接部の検査等をこの貫通空間を利用して行うことができる。

また、本発明による柱梁接合部構造の他の態様は、前記角形鋼管柱は四隅が曲率部を有しており、
前記他方のフランジと前記角形鋼管柱の前記側面とを繋ぐ前記溶接部が、前記曲率部を除いた該他方のフランジと該側面との当接箇所に形成されていることを特徴とする。

本態様によれば、角形鋼管柱が四隅（隅角部）に曲率部を有する場合に、この曲率部を除いた箇所で鉄骨梁のフランジと角形鋼管柱の側面が溶接されていることにより、溶接作業が困難な角形鋼管柱の四隅の曲率部による溶接を不要にできる。角形鋼管柱の隅角部は、鉄骨梁が接続される側面の剛性のみならず、この側面に直交する側面の剛性の影響により高剛性領域となる。このように角形鋼管柱において剛性の高い領域では、外力が作用した際に角形鋼管柱の負担荷重が増加し、これに応じて鉄骨梁のフランジや、このフランジに接続される方杖材の負担荷重が低減される。その結果、鉄骨梁が偏心位置に配設される形態において、角形鋼管柱の曲率部に対応する箇所の溶接を不要にした場合であっても、耐力上十分な溶接長を確保することが可能になる。さらに、方杖材の負担荷重が低減することに起因して、方杖材の厚みを可及的に薄くすることも可能になる。

また、本発明による柱梁接合部構造の他の態様は、前記第二鉄骨梁の偏心率と前記方杖材の厚みが、以下の式（Ａ）を満たすことを特徴とする。

本態様によれば、設定される第二鉄骨梁の偏心率（偏心なしを０とし、下方のフランジの端部がコラムコアの側面と面一まで偏心した状態を１とする）に応じて、最適な厚みの方杖材を設定することができ、必要最低限の厚みの方杖材を設定することにより施工コスト（資材コスト）の最適化に繋がる。

また、本発明による柱梁接合部構造の他の態様は、前記他方のフランジと前記角形鋼管柱の前記側面とを繋ぐ前記溶接部の長さが、以下の式（Ｂ）を満たすことを特徴とする。

本態様によれば、角形鋼管柱の側面と第二鉄骨梁のフランジとの溶接部の長さを適切に算定することにより、必要最低限の溶接にて双方を接続することができ、柱梁接合部構造の施工コストの削減に繋がる。

以上の説明から理解できるように、本発明の柱梁接合部構造によれば、段差梁を有する柱梁接合部構造において、方杖材で補強される鉄骨梁を偏心位置に取り付けたいとする要請に対応可能であって、高耐力の柱梁接合部構造を提供することができる。

実施形態に係る柱梁接合部構造の一例の斜視図である。図１のII－II矢視図であって、第一鉄骨梁の途中位置で切断して第二鉄骨梁を側方から見た図である。図１のIII－III矢視図であって、第二鉄骨梁の途中位置で切断して第一鉄骨梁を側方から見た図である。図１のIV－IV矢視図であって、第二鉄骨梁のフランジと角形鋼管柱の側面の溶接部の範囲を示す図である。（ａ）は、ＦＥＭ解析に用いた解析モデル概要図であり、（ｂ）は図５（ａ）のｂ方向矢視図である。ＦＥＭ解析における変形角とモーメントの相関グラフであって、（ａ）は比較例の相関グラフであり、（ｂ）は実施例の相関グラフである。梁において、柱との接合部（パネル際）、方杖材との接合部（方杖際）における梁軸方向応力採取位置を示す図であって、（ａ）は比較例のケースを示す平面図であり、（ｂ）は実施例のケースを示す平面図であり、（ｃ）は比較例及び実施例の各ケースの側面図である。層間変形角１／２００の際の応力分布図であって、（ａ）は比較例に関する応力分布図であり、（ｂ）は実施例に関する応力分布図である。層間変形角１／１００の際の応力分布図であって、（ａ）は比較例に関する応力分布図であり、（ｂ）は実施例に関する応力分布図である。層間変形角１／５０の際の応力分布図であって、（ａ）は比較例に関する応力分布図であり、（ｂ）は実施例に関する応力分布図である。面外曲げ降伏メカニズムを説明する図である。鉄骨梁の偏心率と方杖材の必要板厚に関する相関グラフを示す図である。

以下、実施形態に係る柱梁接合部構造について添付の図面を参照しながら説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く場合がある。

［実施形態に係る柱梁接合部構造］
はじめに、図１乃至図４を参照して、実施形態に係る柱梁接合部構造の一例を説明する。ここで、図１は、実施形態に係る柱梁接合部構造の一例の斜視図であり、図２乃至図４はそれぞれ、図１のII－II矢視図、III－III矢視図、及びIV－IV矢視図である。実施形態に係る柱梁接合部構造１００は、コラムコア１０Ａと上下の角形鋼管１０Ｂ，１０Ｃにより形成される角形鋼管柱１０と、Ｈ形鋼により形成され、梁成の異なる２種類の鉄骨梁３０，４０との柱梁接合部構造である。

中央のコラムコア１０Ａは鉄骨梁３０，４０が接合される角形鋼管であり、パネルゾーンを形成する。コラムコア１０Ａの上下端には、上通しダイアフラム２０Ａ及び下通しダイアフラム２０Ｂが溶接により接合されている。上通しダイアフラム２０Ａの上表面に角形鋼管１０Ｂが溶接により接合され、下通しダイアフラム２０Ｂの下表面に角形鋼管１０Ｃが溶接により接合されている。図示例の角形鋼管１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、平面視形状が略正方形であり、いずれも断面寸法は同一である。尚、パネルゾーンを形成するコラムコア１０Ａの厚みが他の角形鋼管柱１０Ｂ，１０Ｃよりも厚く、断面寸法が相対的に大きい形態であってもよい。角形鋼管１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃとしては、例えば、ＪＩＳＧ３４６６（一般構造用角形鋼管）に基づくＪＩＳ製品である、ＳＴＫＲ４００やＳＴＫＲ４９０が適用できる。また、その他、建築構造用冷間成形角形鋼管である、ＢＣＲ（Box Column Roll 建築構造用冷間ロール成形角形鋼管、登録商標）やＢＣＰ（Box Column Press建築構造用冷間プレス成形角形鋼管、登録商標）が適用できる。尚、ＢＣＲやＢＣＰは、ＳＮ材（建築構造用鋼材）をベースとした一般社団法人日本鉄鋼連盟製の角形鋼管である。また、角形鋼管１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃの一辺は１５０ｍｍ乃至１０００ｍｍ程度の範囲に設定でき、その肉厚は６ｍｍ乃至５０ｍｍ程度の範囲に設定できる。

上通しダイアフラム２０Ａと下通しダイアフラム２０Ｂの平面視形状は正方形であり、断面寸法は角形鋼管柱１０よりも大きく、従って、図１等に示すように上通しダイアフラム２０Ａ等の外周は角形鋼管柱１０から外側に張り出している。また、図２に示すように、上通しダイアフラム２０Ａと下通しダイアフラム２０Ｂの上下の距離（第一間隔の一例）はｔ１である。上通しダイアフラム２０Ａと下通しダイアフラム２０Ｂは、一辺が１６０ｍｍ乃至１０５０ｍｍ程度の範囲に設定でき、その板厚は１２ｍｍ乃至１００ｍｍ程度の範囲に設定できる。また、上通しダイアフラム２０Ａと下通しダイアフラム２０Ｂの端辺のコラムコア１０Ａの側面からの突出長さは、５ｍｍ乃至３０ｍｍ程度の範囲に設定できる。

柱梁接合部構造１００において、角形鋼管柱１０の内部には、内ダイアフラムは存在していない。すなわち、角形鋼管柱１０には、一対の上通しダイアフラム２０Ａと下通しダイアフラム２０Ｂの他は、内ダイアフラムは存在しておらず、その他、外ダイアフラムも他の通しダイアフラムも存在していない。尚、必要に応じて、コラムコア１０Ａ内にコンクリートを充填してパネルゾーンの剛性を高めてもよく、このようにコンクリートを充填する場合には、コラムコア１０Ａ内に内ダイアフラム等が存在しないことから、コンクリートの充填性が良好になる。

コラムコア１０Ａ（もしくは角形鋼管柱１０）は４つの側面１１～１４を有し、４つの隅角部には曲率部１５（もしくはＲ部）を有する。コラムコア１０Ａの１つの側面１２には、上下のフランジ４１，４２の芯間距離が距離ｔ１と同一であり、上通しダイアフラム２０Ａと下通しダイアフラム２０Ｂに上下のフランジ４１，４２が接合される第一鉄骨梁４０が取り付けられている。すなわち、図示例において、上通しダイアフラム２０Ａと下通しダイアフラム２０Ｂの距離（第一間隔）ｔ１は、第一鉄骨梁４０の梁成に応じた距離に設定される。尚、第一鉄骨梁４０と以下で示す第二鉄骨梁３０は、例えば、ＪＩＳ製品である、ＳＮ材（建築構造用圧延鋼材ＪＩＳＧ３１３６）、ＳＳ材（一般構造用圧延鋼材ＪＩＳＧ３１０１）、ＳＭ材（溶接構造用圧延鋼材ＪＩＳＧ３１０６）等が適用できる。

上方のフランジ４１の端部には開先が設けられ、下方に裏当金４４が配設された状態で、上通しダイアフラム２０Ａの端部と突合せ溶接されることにより、溶接部４５を介して接合されている。同様に、下方のフランジ４２の端部には開先が設けられ、上方に裏当金４６が配設された状態で、下通しダイアフラム２０Ｂの端部と突合せ溶接されることにより、溶接部４７を介して接合されている。一方、第一鉄骨梁４０のウエブ４３は、コラムコア１０Ａの側面１２に対して隅肉溶接されることにより、溶接部４８を介して接合されている。

以下、各接合部は、溶接部４５，４７、４８と同様に、突合せ溶接、隅肉溶接のいずれかの溶接により形成されるが、具体的な溶接方法は、アークスポット、アークスタッド、ガスシールドアーク等のアーク溶接の他、プラズマ溶接、エレクトロスラグ溶接、電子ビーム溶接、レーザービーム溶接など、多様な溶接法が適用できる。

一方、コラムコア１０Ａにおいて、側面１２と直交する他の１つの側面１１には、上下のフランジ３１，３２の芯間距離が距離ｔ１よりも短い第二鉄骨梁３０が、その上方のフランジ３１と上通しダイアフラム２０Ａを接合する態様で取り付けられている。そして、第二鉄骨梁３０の下方のフランジ３２は、コラムコア１０Ａの側面１１に接合されている。また、第二鉄骨梁３０の下方のフランジ３２と下通しダイアフラム２０Ｂとの距離（段差）、言い換えれば、段差梁を形成する第一鉄骨梁４０と第二鉄骨梁３０の梁成の段差は、５０ｍｍ乃至１５０ｍｍの範囲の他、１５０ｍｍ以上の範囲に設定できる。

図３及び図４に明りょうに示すように、柱梁接合部構造１００において、第二鉄骨梁３０のウエブ３１の中心線ＬＣ２は、角形鋼管柱１０の幅中心を通る中心線ＬＣ１に対して、右側に偏心量δだけ偏心した偏心位置に配設されている。このように、柱梁接合部構造１００は、段差梁を有するとともに、梁成の低い第二鉄骨梁３０が角形鋼管柱１０の中心線ＬＣ１に対して偏心位置に配設されている接合部構造である。図３及び図４に示すように、角形鋼管柱１０の側面１３と、第二鉄骨梁３０の上下のフランジ３１，３２（特に下方のフランジ３２）の端部とは面一となっている。すなわち、双方が面一となるように第二鉄骨梁３０の偏心量δが設定されている。尚、偏心量δが図示例よりも少ない偏心量に設定され、角形鋼管柱１０の側面１３と下方のフランジ３２の端部が面一とならない形態であってもよいし、コラムコア１０Ａの中心線ＬＣ１に対して左側に第二鉄骨梁３０が偏心する態様で接合される形態であってもよい。

第二鉄骨梁３０の上方のフランジ３１の端部には開先が設けられ、下方に裏当金３４が配設された状態で、上通しダイアフラム２０Ａの端部と突合せ溶接されることにより、溶接部３５を介して接合されている。また、第二鉄骨梁３０のウエブ３３は、コラムコア１０Ａの側面１１に対して隅肉溶接されることにより、溶接部３６を介して接合されている。尚、裏当金３４を配設しない形態であってもよい。

一方、図１及び図２に示すように、第二鉄骨梁３０の下方のフランジ３２は、コラムコア１０Ａの側面１１に対してウエブ３３と同様に隅肉溶接されることにより、溶接部３７を介して接合されている。この溶接部３７は、図４に示すように、コラムコア１０Ａの曲率部１５（図中のＲ区間）以外の側面１１の範囲において隅肉溶接が行われることにより形成される。

すなわち、曲率部１５に隅肉溶接を行わなくても、溶接部３７において必要となる強度が十分に得られる。これは、コラムコア１０Ａの隅角部１５において、第二鉄骨梁３０が接続される側面１１の剛性のみならず、この側面１１に直交する側面１３の剛性の影響により、隅角部１５の近傍が高剛性領域であることに依拠している。このようにコラムコア１０Ａにおいて剛性の高い隅角部１５の近傍では、外力が作用した際にコラムコア１０Ａの負担荷重が増加し、第二鉄骨梁３０の有するフランジ３２の負担荷重は、第二鉄骨梁３０が偏心していない場合と比べて低減される。その結果、第二鉄骨梁３０が図示するように偏心位置に接合される形態では、コラムコア１０Ａの曲率部１５に対応する箇所の溶接を不要にした場合であっても、耐力上十分な溶接長を確保することが可能になる。また、曲率部１５における溶接作業は他の一般部の溶接作業に比べて困難であるが、このように曲率部１５に対するフランジ３２の溶接作業を不要にできることから、柱梁接合部構造１００の施工性が良好になる。

また、第二鉄骨梁３０の下方のフランジ３２の下面と下通しダイアフラム２０Ｂには、鋼製プレートにより形成される方杖材５０が接合されている。図２に示すように、方杖材５０は、第二鉄骨梁３０の延伸方向（水平方向）に対して角度θ傾斜している。この角度θは、１５度乃至３５度の範囲に設定することができ、この範囲の角度θを有する方杖材５０を適用することにより、第二鉄骨梁３０からコラムコア１０Ａを含む角形鋼管柱１０に対して荷重を効果的に伝達することが可能になる。また、方杖材５０の板厚は６ｍｍ乃至２２ｍｍ程度の範囲に設定でき、方杖材５０の幅は例えば図３に示すようにフランジ３２と同幅に設定でき、１００ｍｍ乃至３００ｍｍ程度の範囲に設定できる。

図２において明りょうに示すように、方杖材５０は水平方向に対して角度θで傾斜していることから、一般の鋼製プレートを用いた場合でも、その端部と、下通しダイアフラム２０Ｂの端部及び第二鉄骨梁３０の下方のフランジ３２の下面と、の間には自然開先が形成される。それぞれの端部の上方に裏当金５１、５２を配設し、突合せ溶接することにより、溶接部５２，５４を介して、方杖材５０と下通しダイアフラム２０Ｂの端部及び第二鉄骨梁３０の下方のフランジ３２の下面とが接合される。

上記するように、柱梁接合部構造１００において、第二鉄骨梁３０が角形鋼管柱１０の側面１１に対して偏心位置に配設されていることにより、第二鉄骨梁３０が偏心していない場合と比べて、剛性の高いコラムコア１０Ａの隅角部１５の負担荷重が増加することに起因して、第二鉄骨梁３０のフランジ３２のみならず、方杖材５０の負担荷重も低減される。その結果、柱梁接合部構造１００では、第二鉄骨梁３０が偏心していない場合と比べて、方杖材５０の厚みを薄くすることが可能になる。

さらに、第二鉄骨梁３０のウエブ３３を挟む位置において、ウエブ３３の側面から下方のフランジ３２の上面に亘って一対の補強リブ６０が接合されている。より具体的には、図２に示すように、方杖材６０の厚みの中心を通る第一平面Ｌ１と、第二鉄骨梁３０の下方のフランジ３２の厚みの中心を通る第二平面Ｌ２と、が交差してできる交線Ｐを含む鉛直面Ｌ３に板厚の中心面が通過するようにして、補強リブ６０が配設される。図示する位置に一対の補強リブ６０が配設されることにより、第二鉄骨梁３０から方杖材５０に伝達された荷重による反力が、方杖材５０から第二鉄骨梁３０の下方のフランジ３２に作用した際に、この反力を補強リブ６０が効果的に負担することが可能になる。

図示例の補強リブ６０は、直角三角形の２つの鋭角が取り除かれた略三角形状の鋼製プレートにより形成され、下方のフランジ３２の上面とウエブ３３に対して隅肉溶接されることにより、溶接部６１，６２を介して接合されている。また、補強リブ６０の幅は下方のフランジ３２の幅の４０％以上に設定でき、補強リブ６０の厚みは６ｍｍ乃至２２ｍｍの範囲に設定でき、例えば方杖材５０の厚みよりも薄い厚みであってよい。また、補強リブ６０において、略三角形の斜辺が水平面（下方のフランジ３２の上面）と成す角度は例えば４５度以上に設定できる。さらに、図２において、補強リブ６０の高さｈは、第二鉄骨梁３０の下方のフランジ３２の幅の１／２以上であって、第二鉄骨梁３０の梁成の１／２以下の範囲に設定することができる。

また、図１及び図２において示すように、コラムコア１０Ａの側面１１と、第二鉄骨梁３０の下方のフランジ３２と、方杖材５０と、により包囲されている空間は貫通空間Ｇとなっており、この空間に補強用のリブ等は溶接されていない。このように、当該箇所に貫通空間Ｇが形成されていることにより、コラムコア１０Ａと第二鉄骨梁３０とを接合する溶接部３７等の検査を、この貫通空間Ｇを利用して行うことができる。また、当該箇所に補強用のリブ等が溶接等される場合における、溶接時の熱応力による影響を解消することができる。

柱梁接合部構造１００によれば、段差梁を有する柱梁接合部構造において、方杖材で補強される鉄骨梁を偏心位置に取り付けたいとする空間的要請もしくは外観意匠的要請を満たしながら、十分な耐力を有する接合部構造を提供することができる。尚、図示例の柱梁接合部構造１００は、梁成の異なる２本の鉄骨梁３０，４０が角形鋼管柱の直交する側面に接合された形態を示しているが、それ以外の形態の段差梁を有する接合部構造であってもよい。例えば、角形鋼管柱の４つの側面の全てに鉄骨梁が接合され、梁成の異なる２種類乃至４種類の鉄骨梁が適用される形態であってもよい。さらに、図示例の柱梁接合部構造１００では、相対的に梁成の低い第二鉄骨梁３０の上方のフランジ３１が上通しダイアフラム２０Ａに接合される形態を示すが、第二鉄骨梁３０の下方のフランジ３２が下通しダイアフラム２０Ｂに接合され、方杖材５０が上方のフランジ３１と上通しダイアフラム２０Ａに接合される形態であってもよい。

［ＦＥＭ解析］
次に、図５乃至図１０を参照して、本発明者等により行われたＦＥＭ（Finite Element Method：有限要素法）解析の概要とその結果について説明する。

＜ＦＥＭ解析の概要＞
本ＦＥＭ解析では、柱と梁、及びそれらを繋ぐ方杖材をソリッド要素としてモデル化した。このモデル化に際しては、柱に対して梁が偏心していないモデルを比較例とし、柱に対して梁が面一まで偏心しているモデルを実施例とし、双方のモデルに対してＦＥＭ解析を実施した。比較例及び実施例のモデルの概要を図５に示す。各モデルにおいて、柱の長さを３ｍ、梁の長さを４ｍにそれぞれ設定し、双方を十字に繋いで十字架構とした。また、柱の柱脚をピン支持とし、柱頭をピンローラー支持とした。梁は、Ｈ－３００×１５０×６．５×９（ＳＮ４９０）の仕様とし、柱は、角形鋼管で３００×１６（ＢＣＲ２９５）の仕様とした。さらに、方杖材は、鋼製プレートで厚みが１２ｍｍ（ＳＮ４９０）の仕様とし、補強リブは、鋼製プレートで厚みが９ｍｍ（ＳＳ４００）の仕様とし、梁段差を１００ｍｍとした。尚、実施例のモデルでは、柱の端部に曲率部（Ｒ部）を設定し、梁のフランジと柱のＲ部は接合しない（溶接しない）ものとしてモデル化している。

本ＦＥＭ解析では、実施例及び比較例の各モデルに対して、図５（ａ）に示すように梁の両端に荷重を増分させながら載荷していくことにより層間変形角を増加させ（従って、梁に作用する曲げモーメントが増加する）、所定の応力採取位置において、３ケースの層間変形角の際の応力分布を求めた。３ケースの層間変形角は、１／２００，１／１００，及び１／５０である。

＜ＦＥＭ解析結果＞
図６は、本ＦＥＭ解析における層間変形角とモーメントの相関グラフであり、図６（ａ）は比較例の相関グラフを示し、図６（ｂ）は実施例の相関グラフを示す。また、図７は、梁（のフランジ）において、柱との接合部（パネル際）、方杖材との接合部（方杖材際）における梁軸方向応力採取位置を示す図であって、図７（ａ）は比較例の応力採取位置を示す平面図であり、図７（ｂ）は実施例の応力採取位置を示す平面図である。また、図７（ｃ）は、比較例及び実施例の応力採取位置を示す側面図である。図８、図９、及び図１０はそれぞれ、層間変形角１／２００、１／１００、及び１／５０の際の応力分布図であり、いずれも、（ａ）は比較例の応力分布図を示し、（ｂ）は実施例の応力分布図を示す。図８乃至図１０において、横軸は、方杖材（幅１５０ｍｍ）の中心を横軸０としている。また、図８（ｂ）等における柱Ｒ部始端は、Ｒ部の開始点を示し、それよりも外側では梁（のフランジ）と柱が接合されていないことを意味している。また、以下の表１には、層間変形角が１／２００，１／１００，及び１／５０の各ケースにおける、梁のフランジの軸方向応力分布の平均値を示す。表１において、σｙは梁の降伏点であり、３２５Ｎ／ｍｍ^２とする。

図８乃至図１０のいずれの層間変形角のケースにおいても、パネル際の応力分布図において、梁の外側に応力集中が見られることが分かる。また、図８（ｂ）、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）より、梁と柱の接合部において、柱Ｒ部始端よりも内側（例えば溶接にて接合されている領域）には応力集中が見られる一方、柱Ｒ部始端よりも外側（接合されていない領域）の応力はゼロに近似していることが分かる。すなわち、この領域では、柱と梁が溶接にて接合されていなくても、構造上問題ないことが分かる。

また、表１より、梁の弾性限界である層間変形角１／２００、１／１００までは、パネル際に作用する応力は方杖材際に作用する応力の４１％乃至５２％となることが分かる。さらに、梁降伏後の終局時である層間変形角１／５０において、パネル際に作用する応力は方杖材際に作用する応力の５９％乃至７３％となることが分かる。

また、比較例に比べて、実施例のパネル際に作用する応力が小さいことが分かる。実施例では、終局時においても溶接部に作用する力はフランジ全断面耐力の６割程度であり、Ｒ部を溶接しない場合であっても十分な溶接長さが確保できることが分かる。

［第二鉄骨梁の下フランジの溶接長さの設定方法］
次に、図１乃至図４に示す、第二鉄骨梁３０の下方のフランジ３２（以下、下フランジと言う）とコラムコア１０の側面１１の溶接部３７（隅肉溶接部）の溶接長さ（有効長さ）の設定方法について説明する。

下フランジの溶接部は、以下の式（１）を満たす必要がある。以下の式の左辺及び右辺に以下の式（２）及び式（３）を適用する。

上式（１）乃至式（３）により、下フランジの隅肉溶接部の必要有効長さを設定する式を以下の式（４）で表すことができる。

一例として、鉄骨梁に４９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼材（ｂσｙ＝３２５Ｎ／ｍｍ^２、ｂσｕ＝４９０Ｎ／ｍｍ^２）を適用し、下フランジの隅肉溶接部の有効のど厚をａｆ＝０．７ｔｆとした場合、式（４）を以下の式（５）で表すことができる。

下フランジの全幅の６割以上を両面隅肉溶接とすることにより、式（５）を満足することができる。Ｒ部が４割程度に及ぶことがないことを勘案すると、下フランジの溶接部においては、Ｒ部以外の一般部においてもその全ての領域の溶接が必ずしも必要ないことが式（５）から特定できる。

［鉄骨梁の偏心率と方杖材の必要板厚との関係についての検証］
次に、鉄骨梁の偏心率（偏心なしを０とし、下方のフランジの端部がコラムコアの側面と面一まで偏心した状態を１とする）をパラメータとした、方杖材の必要板厚の算定方法について説明する。方杖材の必要板厚の算定においては、方杖材に作用する軸力が方杖材の曲げ座屈限界耐力以下となることを条件として算定される。方杖材の必要板厚と梁の偏心率との関係は、以下の式（６）を満たすことを要する。そして、方杖材の曲げ座屈限界耐力を鋼構造限界状態設計指針に基づいて以下の式（７）で示す。さらに、曲げ座屈低減係数は以下の式（８）のように示すことができる。

次に、梁降伏時に方杖材に作用する軸力を以下の式（９）で示す。また、梁のフランジの軸降伏耐力を以下の式（１０）で示し、柱の側面の面外曲げ降伏耐力を以下の式（１１）で示す。

図１１は、面外曲げ降伏メカニズムを説明する図であり、図１１（ａ）は鉄骨梁側からコラムコアを見た正面図であり、図１１（ｂ）は、コラムコアを上方から見た平面図であり、図１１（ｃ）は、コラムコアを側方から見た側面図である。偏心がない場合の各部寸法ｄ（図１１参照）を梁の偏心量で除した値を梁の偏心率とし、偏心がある場合の各部寸法（図１１参照）を以下の式（１２）で示す。

式（１２）を用いて、方杖材の必要板厚を示すと、以下の式（１３）により示すことができる。

式（１３）において、上式は、梁の偏心率によらず一定の値となる。また、図１２より、方杖材の板厚（必要板厚）は偏心なしで９．３ｍｍであり、偏心率（偏心量）の増加に伴い板厚は低下し、柱と梁が面一まで偏心した際に６．８ｍｍとなることが分かる。これは、偏心量が増加するにつれて方杖材の接合部の耐力が増加し、この耐力増加に起因して方杖材の負担荷重が少なくなり、その結果として方杖材の必要板厚が低下するためである。

式１０を適用することにより、最適な厚みの方杖材を設定することができ、必要最低限の厚みの方杖材を設定することにより施工コストの最適化を図ることが可能になる。

上記実施形態に挙げた構成等に対し、その他の構成要素が組み合わされるなどした他の実施形態であってもよく、また、本発明はここで示した構成に何等限定されるものではない。この点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

１０：角形鋼管柱、１０Ａ：コラムコア（角形鋼管、角形鋼管柱）、１０Ｂ、１０Ｃ：角形鋼管（角形鋼管柱）、１１～１４：側面、１５：曲率部（Ｒ部、隅角部）、２０Ａ：上通しダイアフラム、２０Ｂ：下通しダイアフラム、３０：第二鉄骨梁（鉄骨梁）、３１，３２：フランジ、３３：ウエブ、４０：第一鉄骨梁（鉄骨梁）、４１，４２：フランジ、４３：ウエブ、５０：方杖材、６０：補強リブ、１００：柱梁接合部構造、Ｇ：貫通空間

Claims

角形鋼管柱と、Ｈ形鋼により形成される鉄骨梁との柱梁接合部構造であって、
前記角形鋼管柱には、該角形鋼管柱の側面から端部が張り出すようにして上下に第一間隔を隔てて一対の通しダイアフラムが介在しており、
前記角形鋼管柱の有する側面のうち、いずれかの側面には、前記第一間隔の梁成を有する第一鉄骨梁の上下のフランジが前記一対の通しダイアフラムに溶接部を介して接合されており、
前記角形鋼管柱の有する側面のうち、他のいずれかの側面には、前記第一間隔よりも低い梁成を有する第二鉄骨梁の上下のフランジのうちのいずれか一方のフランジが、前記一対の通しダイアフラムのうちのいずれか一方の通しダイアフラムと溶接部を介して接合され、他方のフランジは前記角形鋼管柱の前記側面に溶接部を介して接合されており、
前記第二鉄骨梁の有する前記他方のフランジと他方の通しダイアフラムに対して、鋼製プレートにより形成される方杖材の両端が溶接部を介して接合されており、
前記第二鉄骨梁のウエブを挟んだ対向位置において、前記方杖材が接合されている前記フランジと前記ウエブに対して溶接部を介して一対の補強リブが接合されており、
前記第二鉄骨梁が、前記角形鋼管柱の前記側面の幅中心を通る中心線に対して、左右いずれか一方の偏心位置に配設されており、
前記角形鋼管柱の前記側面と、前記他方のフランジと、前記方杖材とにより包囲されている空間が貫通空間であることを特徴とする、柱梁接合部構造。
前記方杖材の厚みの中心を通る第一平面と、他方の前記フランジの厚みの中心を通る第二平面との交線の直上に、前記一対の補強リブが配設されていることを特徴とする、請求項１に記載の柱梁接合部構造。
前記角形鋼管柱は四隅が曲率部を有しており、
前記他方のフランジと前記角形鋼管柱の前記側面とを繋ぐ前記溶接部が、前記曲率部を除いた該他方のフランジと該側面との当接箇所に形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の柱梁接合部構造。
前記第二鉄骨梁の偏心率と前記方杖材の厚みが、以下の式（Ａ）を満たすことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の柱梁接合部構造。
前記他方のフランジと前記角形鋼管柱の前記側面とを繋ぐ前記溶接部の長さが、以下の式（Ｂ）を満たすことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の柱梁接合部構造。